老葉的植物王國

1913年的製氨反應器。 圖片來源： 維基百科   哈伯法（Haber process）是由哈伯（Fritz Haber）與他的助理Robert Le Rossignol在1905年發明的。他們使用鐵（Fe）作為催化劑，在高溫高壓下合成了氨（NH 3 ）。當時這個發現有許多重大意義，過去一直以為如氨這樣的化合物只有「有生命」的物種才能合成它，所以能在實驗室製造氨真的是「轟動武林、驚動萬教」的事，而另外一個重大的意義則是從此我們有源源不絕的氮源，可以用來製造肥料，不需要依賴天然氮源如鳥糞等。 不過，哈伯只是在實驗室取得成功，要工業化生產，需要進一步改善合成的方法。哈伯法後來被巴斯夫（BASF SE）買下專利，並委託博施（Carl Bosch）做進一步改善。所以後來哈伯法也常被稱為「哈伯-博施法」（Haber-Bosch Process）。 因為高溫高壓非常消耗能源，所以後來還是不斷地有科學家試圖改善哈伯法。這裡提供一點大家可能都不會注意到的事實：哈伯法每年大約消耗全球能源生產的1-2%，並使用了全球3-5%的天然氣。此外，它還產生了全球1-3%的二氧化碳排放。 其中取得成功的是以銠（元素符號Ru）為催化劑的製程。以銠作為催化劑，能允許反應在更溫和的壓力和溫度條件下運作，因此被視為第二代催化劑。銠基催化劑的活性強烈依賴於載體和促進劑。自1992年以來，銠活化碳基催化劑在KBR高級氨製程（KAAP）中已被工業使用。儘管有一些缺點，例如載體被氫氣轉化為甲烷的風險，但透過對碳載體進行特殊處理可以減緩這一問題，從而延長催化劑壽命。 但是，到底鐵與銠誰比較好？還是各自有長處？最近的一個研究，提供我們一些觀點。 研究團隊利用操作型X射線光電子能譜（XPS）來確定在氨（NH 3 ）生產過程中，鐵和銠催化劑的表面組成狀態。研究團隊發現，無論是平坦或階梯狀的鐵表面，以及銠單晶表面在高達1巴的壓力和723K的溫度下，都保持金屬態，但銠的表面幾乎無吸附物，而鐵催化劑則保留少量吸附的氮並在較低溫度下在階梯狀表面形成高覆蓋率的氨基（NHx）。這些觀察表明，在銠催化劑上，速率限制步驟始終是N 2 的解離；相比之下，在Fe催化劑上，隨著溫度降低，限速步驟從N 2 解離轉變為表面物種的氫化。 另外，研究團隊發現，銠催化劑在623K時達到最高活性，這與催化反應器研究一致。相比之下...

尿素。圖片來源： 維基百科 尿素是很重要的氮肥。全世界產生的氨（ammonia）有八成用來合成尿素，而用來合成氨的哈伯法（the Haber-Bosch process）需要在攝氏五百度下加壓（20 MPa）。 傳統合成尿素的方法是用氨與二氧化碳在攝氏兩百度下加熱。若與哈伯法一起計算，每年全世界為了合成尿素要消耗掉百分之二的能源，過程中還釋放了大量的溫室氣體。 最近中國湖南大學的研究團隊開發了一個新的方法，可以在室溫常壓下，在水裡以氮氣與二氧化碳直接合成尿素。 反應在流動反應器池中進行，池中包含由載有催化劑的碳紙製成的陰極和鎳基陽極。電極由膜隔開，位於裝有碳酸氫鉀水溶液的腔室內。研究人員將氮氣和二氧化碳送通過電池，以使兩種氣體均吸附在催化劑上並反應生成尿素。催化劑則是由二氧化鈦奈米片上的鈀-銅奈米粒子組成。 在催化劑表面，氮氣促進了二氧化碳的還原，生成一氧化碳。然後，一氧化碳與氮氣反應生成一些中間物種。一氧化碳與這些中間體之間的進一步相互作用使氮氣氫化並形成碳-氮鍵，從而產生尿素。 該系統的效率（可衡量生產尿素的電力份額）約為9％。雖然該反應的效率和生產率仍然很低，要使其實用化還有很長的路要走，但是這還是提供了小規模生產尿素的可能性，可以讓更多國家有能力生產它。 尿素在1824年第一次由德國化學家弗里德里希·維勒（Friedrich Wöhler，1800-1882）以氰酸中加入氨水後蒸乾合成出來。當時他並不知道這個化合物是什麼，直到1828年證明了這些白色晶體就是尿素。尿素的人工合成打破了當時人們的一個迷思：有機化合物不能以人工合成。這個反應被認為開啟了有機化學這個領域。 參考文獻： Nat. Chem. 2020, DOI: 10.1038/s41557-020-0481-9

自從幾年前開始教通識課以後，對於許多課程要怎麼教，開始有了不同的想法。怎麼說呢？一般專業課程總是強調「專業」，舉個例子好了，學過國高中化學的同學應該都知道哈伯法(Haber-Bosch Process)，在高溫高壓下以鐵粉做為催化劑將氮氣與氫氣轉化為氨(ammonia)： N 2  + 3H 2  → 2NH 3 通常化學課的時候，老師只會提到，因為氮氣(N 2 )的兩個氮原子之間是三鍵，所以要打開氮氣很不容易；因此不但要用高溫高壓，還要用鐵粉當催化劑... 然後？就沒有了。講完了。 但是，哈伯法偉大的地方就只是這樣嗎？哈伯(Fritz Haber)因為發明了這個方法，得到1918年的諾貝爾化學獎。難道就是因為他成功的打斷了氮-氮三鍵而已嗎？ 哈伯（Fritz Haber），圖片來源： wiki 當然不是。哈伯法的重要性在於，從此人類打開了以人工提高作物產量的大門，農作物的產量從此大大的提高。 當然，產量提高其實也是有限度的，在植物的營養上，有個名詞叫做「關鍵濃度」（critical concentration）。當土壤中的養分低於這個濃度時，植物的生長與養分的濃度成正比；超過這個濃度以後，植物的生長跟養分的濃度就不成正比了，也就是說，用再多也沒有明顯的效果。 但是，在過去只能使用天然肥料（動物的屍體、糞尿、植物的落葉等）的時代，由於天然肥料必需要等待微生物分解（這部分在堆肥時已經大致完成），再經過土壤中的微生物將其中含氮成分分解為硝酸根（nitrate，NO 3 -）與銨離子（NH 4 +）後，才能為植物所吸收，因此效果緩慢。加上為了方便起見，農人們總是會以單作（monoculture）的方式來種田，這種在大片的土地上種植單一作物的方式，很容易會使土壤缺少某些特定的養分（尤其是氮與磷），所以在哈伯法還沒有出現以前，要提高土壤內的氮濃度，除了使用天然肥料之外，就只剩下使用綠肥，或是與豆科植物輪作了。 但是，這些方法，都不能使土壤中的氮的濃度超過關鍵濃度；因此，當哈伯法出現之後，農夫將化學肥料施放在田裡，立刻有了奇效--農作物的產量大大的提升。加上育種改良以及殺蟲劑、除草劑的使用， 20世紀小麥與稻米的產量提升了8-10倍 （平均產量是4倍）。 但是哈伯法對於科學界的貢獻，並不僅僅在於農作...